EP0249659A2 - Screw spindle, screw device and process for their use - Google Patents
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- EP0249659A2 EP0249659A2 EP86117704A EP86117704A EP0249659A2 EP 0249659 A2 EP0249659 A2 EP 0249659A2 EP 86117704 A EP86117704 A EP 86117704A EP 86117704 A EP86117704 A EP 86117704A EP 0249659 A2 EP0249659 A2 EP 0249659A2
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- F02F7/006—Camshaft or pushrod housings
Definitions
- the invention first relates to a screw with the components mentioned in the preamble of claim 1.
- a depth measurement is not possible directly with the well-known screw spindle. Rather, the screw depth must be calculated from the number of revolutions, taking into account the thread pitch. However, this makes it necessary to specify parameters for the thread pitches.
- the engine speed is essential for the screwing of steel or aluminum, since different friction values occur with both materials.
- Steel has a much rougher surface, so that lower speeds have to be used for steel than for aluminum, so that there is no heat development and the cold welding mentioned above.
- aluminum should be screwed at the higher permissible speed.
- At least one (here only shown schematically) commercial length meter 4 is arranged, which functions as a depth meter and determines the distance between the mounting plate 2 and the surface of the workpiece 3.
- the depth gauge can work purely mechanically or with waves, e.g. B. radar or ultrasound.
- three such length meters are arranged in the ring around the axis of the screw spindle 1, namely at mutual angular intervals of 120 °.
- the screw spindle 1 is driven by a brushless motor, not shown here, via a reduction gear 5, which is only shown schematically and partially.
- the reduction gear has a constant reduction ratio, so it cannot be switched to a different output speed.
- a specific motor and a specific reduction gear are provided for each screw spindle. Both are chosen especially for the diameter of the screw or nut.
- the output shaft 6 of the reduction gear is non-rotatably connected to the input of a torque sensor 7, which is usually also referred to as a "load cell” or "load cell flange".
- the torque sensor is used to measure the torque transmitted from the motor to the screw spindle and screw or nut during a screwing process.
- a protective sleeve 17 projects from the flange 8 downward in FIG. 1 and is screwed onto a threaded connection of the flange 8, that is to say it can be removed.
- the protective sleeve contains a coil 20.
- the coil 20 is surrounded by a helical spring 22, which strives to push the output shaft out of the protective sleeve 17 (up to an end stop, not shown). In this way, a depth sensor is formed, which is denoted here as a whole by 24.
- the output shaft 13 plunges approximately half into the coil 20, which corresponds to a specific inductance of the coil.
- the inductance of the coil is changed by changing the indentation depth (i.e. pushing up or pushing down the output shaft 13).
- a memory module 35 in particular a semiconductor module.
- the memory chip is a programmable and readable semiconductor memory. The information contained in it is read out in serial data transmission.
- a resistor 38 is connected in parallel to the strain gauge 28a via an electronic switch 37 (here an NPN transistor).
- the base of the transistor is connected to an output 40 of the memory chip 35.
- the memory chip has a clock input 42.
- the following values are calculated from the values read in from the memory module, which will later be used to control the tightening processes: Maximum speed of the output shaft as a quotient of the maximum engine speed and the gear factor and the gear reduction; Angular resolution as impulses / degree of commutation of the brushless motor, multiplied by the gear reduction; The efficiency W.
- the commutation pulses are picked up directly by the motor. You can e.g. B. have a resolution of 7.5 ° / pulse.
- the memory module is located in the screw spindle itself and only contains the parameters typical for the screw spindle and its drive.
- FIGS. 5 and 6 show the time profile of the screwing torque M or the screwing speed n in a typical screwing process. As mentioned, the screwing into two time segments is carried out, the on egework l L and the at z iehcut Z, which are separated by a dwell V.
- n max is started again.
- the speed is again regulated using Formula 3, here to a final value n AZ .
- the tightening torque is increased to a predetermined final value M AZ , which results from formula 3.
- the motor is switched off when the specified shut-off screw torque M AL or M AZ is reached .
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)
- Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich zunächst auf eine Schraubspindel mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Bauteilen.The invention first relates to a screw with the components mentioned in the preamble of
Schraubspindeln dieser Art werden in der maschinellen Fertigung, z.B. in der Automobilindustrie verwendet. Anwendungsbeispiele sind das Anschrauben eines Motorblocks an die tragenden Fahrzeugteile, das Aufschrauben des Zylinderkopfdeckels, das Zusammenschrauben der Bestandteile von Pleuellagern.Screw spindles of this type are used in machine production, e.g. used in the automotive industry. Application examples are screwing an engine block onto the load-bearing vehicle parts, screwing on the cylinder head cover, screwing together the components of connecting rod bearings.
Zu einer effektiven Regelung eines Schraubvorganges ist die laufende Messung der Einschraubtiefe erwünscht. Mit Hilfe eines Tiefensensors ist es möglich, in der Anlegestufe kurz vor der Berührung von Schraubkopf oder Mutter mit der Unterlage die Drehzahl zu senken, so daß die Anlagestufe mit hoher Genauigkeit bei Erreichung des vorgegebenen Anlegemoments beendet werden kann. Eine Genauigkeit von 1% des Drehmoments sollte erzielbar sein.In order to effectively control a screwing process, it is desirable to continuously measure the screwing depth. With the help of a depth sensor, it is possible to lower the speed in the application stage just before the screw head or nut comes into contact with the base, so that the application stage can be ended with high accuracy when the specified application torque is reached. An accuracy of 1% of the torque should be achievable.
Die Tiefenmessung dient einer weiteren Kontrolle: Ist die Bohrung für eine Schraube zu kurz oder reicht das Gewinde nicht weit genug in die Bohrung hinein (beides als "Sackloch" bezeichnet) oder befindet sich ein Fremdkörper in der Bohrung, so wird durch die Tiefenkontrolle und gleichzeitige Drehmomentkontrolle festgestellt, daß zwar das Anlegedrehmoment aber noch nicht die erforderliche Schraubtiefe erreicht wurden, und es kann ein Fehlersignal gegeben werden.The depth measurement is used for a further check: If the hole is too short for a screw or if the thread does not reach far enough into the hole (both referred to as a "blind hole") or if there is a foreign body in the hole, the depth check and simultaneous Torque control determined that the tightening torque had not yet reached the required screw depth, and an error signal can be given.
Aus der DE-OS 29 30 430 ist eine Schraubspindel der genannten Art bekannt. Sie ist mit einem magnetischen Fühler (54) für die Winkelposition der Abtriebswelle (26) ausgerüstet. Eine Schraube wird eingeschraubt, bis ihr Kopf in Kontakt mit der Oberfläche des zugehörigen Werkstücks kommt. In einer zweiten Phase wird die Schraube mit einem vorbestimmten Drehmoment unter Überwachung durch den Winkelpositionsfühler festgezogen.From DE-OS 29 30 430 a screw spindle of the type mentioned is known. It is equipped with a magnetic sensor (54) for the angular position of the output shaft (26). A screw is screwed in until its head comes into contact with the surface of its Workpiece comes. In a second phase, the screw is tightened to a predetermined torque under the supervision of the angular position sensor.
Eine Tiefenmessung ist durch die bekannte Schraubspindel nicht direkt möglich. Vielmehr muß die Schraubtiefe aus der Anzahl von Umdrehungen unter Berücksichtung der Gewindesteigung errechnet werden. Dies macht aber jeweils die Vorgabe von Parametern für die Gewindesteigungen erforderlich.A depth measurement is not possible directly with the well-known screw spindle. Rather, the screw depth must be calculated from the number of revolutions, taking into account the thread pitch. However, this makes it necessary to specify parameters for the thread pitches.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine Schraubspindel geschaffen werden, bei deren Betrieb laufend die Einschraubtiefe selbst gemessen werden kann.The present invention is intended to create a screw spindle, during the operation of which the screw-in depth itself can be measured continuously.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved according to
Die Spindel ist hiernach mit einem Tiefensensor ausgestattet, der während des Schraubvorgangs Signale über die jeweils erreichte Schraubtiefe und/oder den noch vorhandenen Abstand zwischen Schraubkopf oder Mutter und der Unterlage erzeugt, die an eine Regelschaltung abgegeben werden können. Gemassen wird also die absolute Einschraubtiefe unabhängig von der Umdrehungszahl der Spindel, der Gewindesteigung und der Einschraubzeit.The spindle is then equipped with a depth sensor that generates signals during the screwing process about the screwing depth achieved and / or the remaining distance between screwing head or nut and the base, which can be given to a control circuit. The absolute screw-in depth is measured regardless of the number of revolutions of the spindle, the thread pitch and the screw-in time.
Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 betrifft eine Schraubmaschine. In dieser lassen sich, bei Verwendung einer Schraubspindel nach Anspruch 1, zusätzlich Längenmesser vorsehen, die feststellen, ob ein herangefahrenes Werkstück, z.B. ein Motorblock, gegenüber einer die Schraubspindel halternden Montageplatte eine Lage innerhalb zulässiger Toleranzen einnimmt, oder schief liegt oder unter einem zu kleinen oder zu großen Abstand angeordnet ist.A development of the invention according to claim 2 relates to a screwing machine. In this, when using a screw spindle according to
In Fertigungsstraßen der Automobilindustrie müssen nacheinander, je nach Lieferprogramm, Motoren mit Zylinderblöcken und/oder Zylinderköpfen aus Stahl und aus Aluminium verarbeitet werden, wozu dieselben Schraubmaschinen und -spindeln benutzt werden müssen. Die Schraubbolzen müssen aber je nach Material mit unterschiedlichen Anziehdrehmomenten angezogen werden. Der Bediener ist daher genötigt, die Schraubmaschinen jeweils auf die geforderten Drehmomente umzustellen. Außer dem Drehmoment müssen normalerweise auch anderen Daten, wie Getriebefaktor des Motor-Untersetzungsgetriebes, die maximale Motordrehzahl und die Winkelauflösung eingegeben werden.In production lines in the automotive industry, engines with cylinder blocks and / or cylinder heads made of steel and aluminum must be processed one after the other, depending on the delivery program, for which the same screwing machines and spindles must be used. Depending on the material, the bolts must be tightened with different tightening torques. The operator is therefore required to convert the screwing machines to the required torques. In addition to the torque, other data such as the gear ratio of the motor reduction gear, the maximum motor speed and the angular resolution must also be entered.
Wesentlich für das Verschrauben von Stahl oder Aluminium ist unter anderem die Motordrehzahl, da bei beiden Materialien unterschiedliche Reibungswerte auftreten. Stahl hat eine wesentlich rauhere Überfläche, so daß für Stahl niedrigere Drehzahlen angewandt werden müssen als für Aluminium, damit est nicht zu Wärmeentwicklungen und den oben erwähnten Kaltverschweißungen kommt. Andererseits sollte zur Zeitersparnis Aluminium mit der dafür zulässigen höheren Drehzahl verschraubt werden.Among other things, the engine speed is essential for the screwing of steel or aluminum, since different friction values occur with both materials. Steel has a much rougher surface, so that lower speeds have to be used for steel than for aluminum, so that there is no heat development and the cold welding mentioned above. On the other hand, in order to save time, aluminum should be screwed at the higher permissible speed.
Die für einen bestimmten Schraubvorgant jeweils erforderlichen Daten sind in Datenblättern enthalten. Es müssen die korrekten Datenblätter herausgesucht und die Daten von Hand eingegeben werden, was, abgesehen von dem Arbeitsaufwand, das Risiko falscher Eingaben und damit schlechter (zu loser oder zu fester und verschweißter) Verschraubungen mit sich bringt.The data required for a particular screw former is contained in data sheets. The correct data sheets must be selected and the data entered by hand, which, apart from the amount of work involved, entails the risk of incorrect entries and therefore poorer (too loose or too tight and welded) screw connections.
Hinzu kommt, daß äußerlich gleich aussehende Schraubspindeln unterschiedliche Untersetzungsgetriebe haben können, ohne daß dies immer eindeutig auf den Schraubspindeln angegeben ist.In addition, externally identical screw spindles can have different reduction gears without this being always clearly stated on the screw spindles.
Durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 sollen unter Verwendung einer Schraubspindel nach Anspruch 1 auch das Schraubdrehmoment und die Drehzahl erfaßt werden. Die drei entsprechenden Meßdaten sollen nach Art einer echten Regelung zum Steuern des Schraubvorgangs verwendet werden, so daß einerseits der Schraubvorgang in sehr geringer Zeit durchgeführt werden kann, andererseits aber mit Sicherheit eine unzuträglich hohe Reibung zwischen den zu verschraubenden Teilen und damit Verschweißungen ("Kaltverschweißungen") vermieden werden.In a further development of the invention according to
Unter Berücksichtigung dieser laufend zur Verfügung stehenden Meßgrößen ist es möglich, den Schraubvorgang optimal durchzuführen, wobei Schraube oder Mutter bis zu dem gewünschten Anziehdrehmoment angezogen weden, und die Verschraubung in der kürzestmöglichen Zeit, sowie ohne Beschädigungen durchgeführt werden.Taking into account these continuously available measurement variables, it is possible to optimally carry out the screwing process, the screw or nut being tightened to the desired tightening torque, and the screwing being carried out in the shortest possible time and without damage.
Der Schraubvorgang wird in zwei Stufen durchgeführt, nämlich zuerst einer Anlegestufe, die beim Berühren von Schraubkopf oder Mutter mit ihrer Unterlage beendet ist. Nach einer Verweilzeit beginnt eine zweite Stufe, die Anziehstufe, in der die Verschraubung bis zu einem vorgegebenen Drehmoment angezogen wird.The screwing process is carried out in two stages, namely first a lay-on stage, which ends when the screwing head or nut touches its base. After a dwell time, a second stage begins, the tightening stage, in which the screw connection is tightened to a specified torque.
Für verschiedene Schraubvorgänge (verschiedene Materialien der zu verschraubenden Teile sowie unterschiedliche Längen und Dicken der Schrauben) müssen verschiedene Schraubspindeln verwendet werden. Jede Schraubspindel muß nach ihrem Einbau mit der Regelschaltung verbunden werden, und der Regelschaltung müssen auf irgendeine Weise die Parameter der Schraubspindel und ihres Antriebs mitgeteilt werden. Damit dies nicht von Hand geschehen muß, was Zeitaufwand bedingt und eine Fehlerquelle darstellt, kann nach Anspruch 3 ein elektronischer Speicherbaustein vorgesehen sein, der in der Schraubspindel selbst untergebracht ist und der beim Anschließen an die Regelschaltung diese mit den notwendigen Daten zu ihrer Einstellung beliefert.Different screw spindles must be used for different screwing processes (different materials of the parts to be screwed as well as different lengths and thicknesses of the screws). Each screw spindle must be connected to the control circuit after it has been installed, and the control circuit must be informed in some way of the parameters of the screw spindle and its drive. So that this does not have to be done by hand, which takes time and is a source of error, an electronic memory module can be provided according to
Nach Anspruch 4 läßt sich erreichen, daß der elektronische Speicherbaustein, der die Parameter der Schraubspindel, ihres Antriebes und der Sensoren enthält, beim Anschließen einer Schraubspindel an die Regelschaltung von sich aus, und zwar über den Drehmomentsensor der Schraubspindel, eine Impulsfolge an die Regelschaltung abgibt, die alle erforderlichen Parameter in die Regelschaltung einspeist, wodurch diese der Schraubspindel angepaßt wird.According to claim 4 can be achieved that the electronic memory module, which contains the parameters of the screw spindle, its drive and the sensors, when connecting a screw spindle to the control circuit on its own, via the torque sensor of the screw spindle, emits a pulse train to the control circuit , which feeds all the necessary parameters into the control circuit, making this the screw spindle is adjusted.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der Schraubmaschine. So kann nach Anspruch 5 der Schraubvorgang in zwei durch eine Verweilzeit getrennte Verfahrensstufen, nämlich der Anlegestufe und der Anziehstufe durchgeführt werden, wobei jede dieser Stufen bei Erreichen eines vorbestimmten Abschaltwertes, nämlich eines Drehmoments oder eines Motorstromes, beendet werden kann. Hierbei läßt sich in der Anlegestufe unter Tiefenmessung die Schraubdrehzahl bei der Annäherung an den Anlegezustand auf einen zulässigen Endwert herunterregeln, der ein Abschalten ohne Gefärdung der verschraubten Teile gestattet.The invention also relates to a method for operating the screwing machine. Thus, according to
Nach Anspruch 6 läßt sich in beiden Stufen die Schraubdrehzahl n unter dem Einfluß des jeweils gemessenen Schraubdrehmoments M nach einer recht einfachen Formel steuern, nach der mit zunehmendem Schraubdrehmoment die Drehzahl herabgesetzt wird. Dadurch werden die oben beschriebenen Schäden beim Anlegen oder Festziehen mit Sicherheit ausgeschlossen.According to claim 6, the screw speed n can be controlled in both stages under the influence of the respectively measured screw torque M according to a very simple formula, according to which the speed is reduced with increasing screw torque. This will definitely exclude the damage described above when putting on or tightening.
Nach Anspruch 7 kann als Regelkriterium anstelle des Schraubdrehmoments der Motorstrom-Istwert I herangezogen werden.According to
Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt in Seitenansicht eine Schraubspindel nach der Erfindung.- Figur 2 zeigt eine Schaltung mit einem Speicherbaustein und dient zum Einspeichern von Einstelldaten indie Regelschaltung.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Clock-Eingangssignals für den Speicherbaustein.- Figur 4 zeigt den Verlauf eines typischen Ausgangssignals des Speicherbausteins.
Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Schraubdrehmoments M in der Anlege- und der Anziehstufe.- Figur 6 zeigt entsprechend den Verlauf der Motordrehzahl n.
- Figure 1 shows a side view of a screw according to the invention.
- Figure 2 shows a circuit with a memory module and is used to store setting data in the control circuit.
- FIG. 3 shows the time course of a clock input signal for the memory chip.
- FIG. 4 shows the course of a typical output signal of the memory chip.
- FIG. 5 shows the time profile of the screwing torque M in the application and tightening stages.
- Figure 6 shows the course of the engine speed n.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer Schraubschraubspindel 1, die in bekannter Weise an einer Montageplatte 2 befestigt ist und mit dieser lotrecht gegenüber einem Werkstück 3, z. B. dem Zylinderkopfdeckel eines Motorblocks lotrecht bewegt werden kann.Figure 1 shows an embodiment of a
Zwischen der Montageplatte 2 und dem Werkstück 3 ist mindestens ein (hier nur schematisch dargestellter) handelsüblicher Längenmesser 4 angeordnet, der als Tiefenmesser fungiert und den Abstand zwischen der Montageplatte 2 und der Oberfläche des Werkstückes 3 ermittelt. Der Tiefenmesser kann rein mechanisch arbeiten oder mit Wellen, z. B. Radar oder Ultralschall. Vorzugsweise sind im Kranz um die Achse der Schraubspindel 1 drei derartige Längenmesser angeordnet, und zwar unter gegenseitigen Winkelabständen von 120°. Hierdurch kann nicht nur der Abstand zwischen Montageplatte und Werkstück festgestellt werden, sondern auch eine etwaige Schiefstellung des Werkstücks. Diese Angaben sind wesentlich für eine Kontrolle der laufenden Tiefenmessung durch die Schraubspindel 1 selbst.Between the mounting plate 2 and the
Die Schraubspindel 1 wird durch einen hier nicht dargestellten bürstenlosen Motor über ein Untersetzungsgetriebe 5 angetrieben, das nur schematisch und teilweise dargestellt ist. Das Untersetzungsgetriebe hat ein konstantes Untersetzungsverhältnis, ist also nicht auf eine abweichende Abtriebsdrehzahl umschaltbar. Für jede Schraubspindel sind ein bestimmter Motor und ein bestimmtes Untersetzungsgetriebe vorgesehen. Beide sind passend insbesondere zum Durchmesser der Schraube oder Mutter gewählt. Die Abtriebswelle 6 des Untersetzungsgetriebes ist drehfest mit dem Eingang eines Drehmomentsensors 7 verbunden, der üblicherweise auch als "Kraftmeßdose" oder "Kraftmeßflansch" bezeichnet wird. Der Drehmomentsensor dient zur Messung des bei einem Schraubvorgang vom Motor auf Schraubspindel und Schraube oder Mutter übertragenen Drehmoments.The
Ein Flansch 8 dient zur Befestigung der Schraubspindel an der Montageplatte 2, die, z. B. durch einen Schwenkarm, in Gebrauchslage gebracht werden kann. Der Flansch 8 trägt ein Lagergehäuse 9, in dem die Antriebswelle 11 der Schraubspindel drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle hat unterhalb des Flansches 8 achsparallele Nuten und Rippen und trägt in axialer Richtung verschiebbar eine rohrförmige Abtriebswelle 13 mit gleichartigen Nuten und Rippen. Das das Drehmoment aufnehmende Ende, das Aufnahmeende 13.1 der Abtriebswelle 13 ist also nach Art einer Vielkeilnabe über das das Drehmoment abgebende Ende, das Abgabeende 11.1 der Antriebswelle 11 gesteckt. Die Abtriebswelle ist unten geschlossen und trägt einen Vierkant 15 od. dgl. zum Aufstecken eines Schraubwerkzeuges, insbesondere Schraubenschlüssels, der dann auf den Schraubenkopf oder die Mutter gesteckt wird. (Schraubenschlüssel und Schraubenkopf oder Mutter wurden nicht dargestellt.)A
Vom Flansch 8 nach unten in Figur 1 ragt eine Schutzhülse 17, die auf einen Gewindestutzen des Flansches 8 geschraubt ist, also abnehmbar ist. Die Schutzhülse enthält eine Spule 20. Die hohle Abtriebswelle 13, die aus ferromagnetischem Material, insbesondere Werkzeugstahl, besteht, stellt einen Spulenkern dar. Die Spule 20 wird umgeben von einer Schraubenfeder 22, die bestrebt ist, die Abtriebswelle aus der Schutzhülse 17 (bis zu einem nicht dargestellten Endanschlag) nach unten zu drücken. Auf diese Weise wird ein Tiefensensor gebildet, der hier als Ganzes mit 24 bezeichnet ist. In der dargestellten Lage taucht die Abtriebswelle 13 etwa zur Hälfte in die Spule 20 ein, was einer bestimmten Induktivität der Spule entspricht. Durch Änderung der Eindrücktiefe (also Hochschieben oder Herunterdrücken der Abtriebswelle 13) wird die Induktivität der Spule geändert.A
In Figur 1 nicht dargestellte Leitungen führen die sich ergebenden Meßdaten, nämlich Induktivität der Spule als Parameter für eine Schraubtiefe und das Drehmoment laufend einer nicht dargestellten Regelschaltung zu.Lines, not shown in FIG. 1, continuously supply the resulting measurement data, namely inductance of the coil as parameters for a screw depth and the torque, to a control circuit, not shown.
Figur 2 zeigt in einer Prinzipschaltung eine Brücke 26, die aus vier Dehnungsmeßstreifen 28a bis 28d aufgebaut ist. Die Dehnungsmeßstreifen sind im Drehmomentsensor 7 in an sich bekannter Weise so angeordnet, daß sich ihre Wirkungen gegenseitig erhöhen, indem jeweils zwei auf Zug und gegensinnig geschaltete auf Druck beansprucht werden. Anstelle von vier können auch nur zwei Dehnungsmeßstreifen und zwei Festwiderstände in an sich bekannter Weise verwendet werden. Punkte 32 und 33 der Brücke liegen an einer Versorgungsgleichspannung. Punkte 30 und 31 stellen den Brückenausgang dar, von dem ein Kontrollsignal an die nicht dargestellte Regelschaltung abgegeben wird. Soweit bisher beschrieben, dient diese Schaltung zur Übertragung des jeweiligen Drehmoments an die Regelschaltung.FIG. 2 shows, in a basic circuit, a
Außerdem soll diese Schaltung aber zur Übertragung von Parametern dienen, die für die Grundeinstellung der Regelschaltung, passend zu der jeweiligen Schraubspindel und ihrem Antrieb erforderlich sind.In addition, this circuit should serve to transfer parameters that are necessary for the basic setting of the control circuit, suitable for the respective screw spindle and its drive.
Alle erforderlichen Parameter sind in einem Speicherbaustein 35 gespeichert, insbesondere einem Halbleiterbaustein. Der Speicherbaustein ist ein programmier- und lesbarer Halbleiterspeicher. Die in ihn enthaltene Information wird in serieller Datenübertragung ausgelesen.All required parameters are stored in a memory module 35, in particular a semiconductor module. The memory chip is a programmable and readable semiconductor memory. The information contained in it is read out in serial data transmission.
Dem Dehnungsmeßstreifen 28a ist über einen elektronischen Schalter 37 (hier ein NPN-Transistor) ein Widerstand 38 parallelgeschaltet. Die Basis des Transistors ist mit einem Ausgang 40 des Speicherbausteins 35 verbunden. Der Speicherbaustein hat einen Clock-Eingang 42.A resistor 38 is connected in parallel to the
Figur 3 zeigt eine zeitliche Folge von Clock-Signalen, die dem Clock-Eingang 42 zugeführt werden. Entsprechend den im Speicherbaustein 35 gespeicherten Daten ergibt sich an dessen Ausgang 40 eine Impulsfolge, von der Figur 4 ein Beispiel zeigt. Je nach den am Ausgang 40 und damit am Kollektor des Transistors 37 auftretenden Signalen wird abwechselnd der Widerstand 38 zum Dehnungsmeßstreifen 28a parallel geschaltet oder die Parallelschaltung unterbrochen. Die Brücke wird also im Rhythmus der Ausgangssignale des Speicherbausteins verstimmt. Damit überlagert sich dem von der Brücke abzugebenden Drehmomentsignal unter dem Einflüß der Clock-Signale eine Folge von Signalen, die Angaben über die wesentlichen Parameter enthalten.FIG. 3 shows a chronological sequence of clock signals which are fed to the
In dem Speicherbaustein 35 können für eine bestimmte Schraubspindel, die mit einem bestimmten Drehmomentsensor ausgerüstet und mit einem bestimmten Motor und Untersetzungsgetriebe versehen ist, folgende Parameter gespeichert sein:
Motor: Maximale Drehzahl und
Maximale Stromaufnahme
Getriebe: Quotient der Getriebeuntersetzung
Drehmomentsensor (Kraftdose): Nenngröße in Nm
Empfindlichkeit in mV/V
Tiefensensor: Tiefenmaß in mm/V
Gesamtwirkungsgrad der Schraubspindel: Verhältnis der zugeführten zur abgegebenen LeistungThe following parameters can be stored in the memory module 35 for a specific screw spindle, which is equipped with a specific torque sensor and is provided with a specific motor and reduction gear:
Motor: Maximum speed and
Maximum power consumption
Gearbox: gearbox ratio
Torque sensor (load cell): nominal size in Nm
Sensitivity in mV / V
Depth sensor: depth in mm / V
Overall efficiency of the screw spindle: ratio of the supplied to the output power
In der Regelschaltung werden aus den vom Speicherbaustein her eingelesenen Werten folgende Werte berechnet, die später bei der Regelung der Schraubvorgänge verwendet werden:
Maximale Drehzahl der Abtriebswelle als Quotient der maximalen Motordrehzahl und des Getriebefaktors und der Getriebeuntersetzung;
Winkelauflösung als Impulse/Grad der Kommutierung des bürstenlosen Motors, multipliziert mit der Getriebeuntersetzung;
Der Wirkungsgrad W.In the control circuit, the following values are calculated from the values read in from the memory module, which will later be used to control the tightening processes:
Maximum speed of the output shaft as a quotient of the maximum engine speed and the gear factor and the gear reduction;
Angular resolution as impulses / degree of commutation of the brushless motor, multiplied by the gear reduction;
The efficiency W.
Die Kommutierungsimpulse werden vom Motor direkt abgegriffen. Sie können z. B. eine Auflösung von 7,5°/Impuls haben.The commutation pulses are picked up directly by the motor. You can e.g. B. have a resolution of 7.5 ° / pulse.
Während eines Schraubvorganges muß der Wirkungsgrad W überwacht werden, nämlich der Quotient der abgeführten zur zugeführten Leistung
W = Pab : Pzu (1)The efficiency W must be monitored during a screwdriving process, namely the quotient of the power removed and the power supplied
W = P from : P to (1)
Darin sind Pzu = U · I, nämlich das Produkt aus dem vom Motor aufgenommenen Strom bei seiner Eingangsspannung.Here P zu = U · I, namely the product of the current drawn by the motor at its input voltage.
Die abgeführte Leistung Pab ist eine Funktion f des jeweiligen Schraubdrehmoments und der jeweiligen Schraubdrehzahl
Pab = f (M · n) (2)The power P ab removed is a function f of the respective screwing torque and the respective screwing speed
P ab = f (M · n) (2)
Wird bei einem Schraubvorgang der Wirkungsgrad W kleiner als der nach Formel 1 errechnete vorgegebene Wirkungsgrad, so ist dies ein Anzeichen für erhöhte Reibung innerhalb der Lager der Schraubspindel und kündigt einen möglichen Ausfall der Schraubspindel an. Es wird ein Warnsignal gebildet.If the efficiency W becomes less than the predetermined efficiency calculated according to
Eine Signalfolge, die diese Parameter enthält, wird auf die Regelschaltung nur zu Anfang übertragen, nämlich nach dem Einbau der Schraubspindel und auf Anfrage der Regelschaltung. Die in der Regelschaltung dann gespeicherten Parameter dienen als Grundlage für die Regelung bei allen gleichartigen Schraubvorgängen derselben Schraubspindel.A signal sequence that contains these parameters is only transferred to the control circuit at the beginning, namely after the screw spindle has been installed and upon request of the control circuit. The parameters then stored in the control circuit serve as the basis for the control in all similar screwing operations of the same screw spindle.
Wird die Schraubspindel ausgetauscht und/oder werden die Daten des Schraubvorgangs geändert, wie Material, Länge und Durchmesser der Schraube, so müssen dafür zusätzliche Daten eingegeben werden, die sich aber nicht in dem Speicherbaustein befinden. Der Speicherbaustein ist in der Schraubspindel selbst untergebracht und enthält nur die für die Schraubspindel und ihren Antrieb typischen Parameter.If the screw spindle is replaced and / or the data of the screwing process is changed, such as the material, length and diameter of the screw, additional data must be entered for this, but it is not in the memory module. The memory module is located in the screw spindle itself and only contains the parameters typical for the screw spindle and its drive.
Die Figuren 5 und 6 zeigen den zeitlichen Verlauf des Schraubdrehmoments M bzw. der Schraubdrehzahl n bei einem typischen Schraubvorgang. Wie erwähnt, wird der Schraubvorgang in zwei zeitlichen Abschnitten durchgeführt, der Anlegestufe L und der Anziehstufe Z, die durch eine Verweilzeit V voneinander getrennt sind.FIGS. 5 and 6 show the time profile of the screwing torque M or the screwing speed n in a typical screwing process. As mentioned, the screwing into two time segments is carried out, the on egestufe l L and the at z iehstufe Z, which are separated by a dwell V.
Die Anlegestufe beginnt mit maximaler Drehzahl nmax und einem zunächst ansteigenden Schraubdrehmoment M. Während z. B. die Schraube eingedreht wird, bewegt sich (Figur 1) unter dem Einfluß der Schraubenfeder 22 die Abtriebswelle 13 gegenüber der Schutzhülse 17 abwärts, wodurch die Induktivität der Spule sinkt. Das von der Spule agegebene Signal wird in ein Maß für die Schraubtiefe verwandelt und mit einem vorher eingestellten Endwert der Schraubtiefe verglichen. Der Endwert entspricht dem Anlagen des Schraubenkopfes oder der Mutter an die Unterlage. Unter dem Einfluß des Tiefensignals wird das Schraubdrehmoment M heruntergeregelt, so daß es am Ende der Anlegestufe L einen endlichen Wert MAL erreicht.The landing stage begins with the maximum speed n max and an initially increasing screw torque M. While z. B. the screw is screwed in, moves (Figure 1) under the influence of the
Damit wird zwangsläufig auch die Drehzahl n heruntergeregelt, und zwar nach der Formel
nmax maximale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
nmin minimale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
MA Abschalt-Schraubdrehmoment am Ende der Anlege- bzw. AnziehstufeThe speed n is inevitably reduced, according to the formula
n max maximum screw speed in the application or tightening stage
n min minimum screw speed in the application or tightening stage
M A switch-off tightening torque at the end of the application or tightening stage
Formel 3 bedeutet vereinfacht:
n = nmax - k · m (4)
worin k eine Konstante bedeutet.
n = n max - km (4)
where k is a constant.
Die Drehzahl n wird also von ihrem Maximalwert her heruntergeregelt, und zwar wird sie mit zunehmendem Drehmoment kleiner, bis sie einen Endwert erreicht, der größer ist als null.The speed n is therefore reduced from its maximum value, and it becomes smaller with increasing torque until it reaches a final value that is greater than zero.
Die Formel 1 gilt sowohl für die Anlegestufe L wie auch für die Anziehstufe Z. Der Wert MA bedeutet das Schraubdrehmoment, das am Ende der Anlege- bzw. Anziehstufe erreicht werden soll.
Auf die Anlegestufe folgt eine Veweilzeit, die sicherstellen soll, daß bei mehreren einzudrehenden Schrauben oder dergleichen in allen Fällen die Anlegestufe abgeschlossen ist. Sollte ein Schraubvorgang nicht durchführbar sein, z. B. weil ein Sackloch vorhanden ist, so kann nun der ganze Schraubvorgang abgebrochen oder nach Beseitigung eines Fehlers, z.B. Entfernung eines Fremdkörpers aus dem Schraubloch, für die eine Schraube wiederholt und dann für alle in der Anziehstufe fortgesetzt werden.The landing stage is followed by a dwell time, which is intended to ensure that the landing stage is completed in all cases when several screws or the like are to be screwed in. If a screwing process is not feasible, e.g. B. because a blind hole is present, the entire screwing process can now be interrupted or, after eliminating a fault, for example removing a foreign body from the screw hole, for which a screw is repeated and then continued for everyone in the tightening step.
Bei einem Schraubvorgang wird ständig das Schraubdrehmoment ermittelt und in die Regelschaltung eingelesen. Sowohl für die Anlegestufe wie auch für die Anziehstufe wird je ein Abschalt-Schraubdrehmoment MA vorgegeben. Diese Abschalt-Schraubdrehmomente haben einen niedrigen Wert für die Anlegestufe und einen wesentlich höheren Wert für die Anziehstufe. Von der Regelschaltung wird zu jedem laufend gemessenen und eingelesenen Schraubdrehmoment nach Formel 3 die zugehörige Schraubdrehzahl eingeregelt.During a tightening process, the tightening torque is continuously determined and read into the control circuit. A shut-off torque M A is specified for both the landing stage and the tightening stage. These shut-off screw torques have a low value for the contact step and a significantly higher value for the tightening step. The control circuit regulates the associated screw speed for each continuously measured and read screw torque according to
In der Anlegestufe wird, wie Figur 6 zeigt und wie sich aus Formel 3 ergibt, die Drehzahl nicht bis auf Null sondern auf einen gefahrlosen Wert nAL heruntergefahren, der zu keinen mechanischen Beschädigungen führen kann, es aber gestattet, den Schraubvorgang in einer optimal kurzen Zeit durchzuführen.In the landing stage, as shown in FIG. 6 and as can be seen from
In der Anziehstufe wird wiederum mit maximaler Drehzahl nmax begonnen. Die Drehzahl wird wiederum anhand der Formel 3, hier auf einen Endwert nAZ, heruntergeregelt. Das Schraubdrehmoment wird bis zu einem vorbestimmten Endwert MAZ hochgefahren, der sich aus Formel 3 ergibt.In the tightening stage, the maximum speed n max is started again. The speed is again regulated using
In beiden Stufen wird beim Erreichen des vorgegebenen Abschalt-Schraubdrehmoments MAL bzw. MAZ der Motor abgeschaltet.In both stages, the motor is switched off when the specified shut-off screw torque M AL or M AZ is reached .
Als Kriterium für die Regelung der Schraubdrehzahl kann anstelle des Schraubdrehmoments der Motor-Iststrom I herangezogen werden. Damit ergibt sich dann folgende Formel nach der geregelt wird:
nmax maximale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
nmin minimale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
IA Abschalt-Motorstrom am Ende der Anlege- bzw. AnziehstufeThe actual motor current I can be used as a criterion for the regulation of the screw speed instead of the screw torque. This then results in the following formula, which is used to regulate:
n max maximum screw speed in the application or tightening stage
n min minimum screw speed in the application or tightening stage
I A shutdown motor current at the end of the application or tightening stage
Auch für diesen Fall gelten die Kurvendarstellungen nach den Figuren 5 und 6, wobei lediglich auf der Ordinate der Figur 5 der Motorstrom anstelle des Schraubdrehmoments anzugeben ist.The curve representations according to FIGS. 5 and 6 also apply in this case, the motor current instead of the screwing torque being to be indicated only on the ordinate of FIG.
- 1 Schraubspindel1 screw spindle
- 2 Montageplatte2 mounting plate
- 3 Werkstück3 workpiece
- 4 Längenmesser4 length meters
- 5 Untersetzungsgetriebe5 reduction gears
- 6 Abtriebswelle des Motors6 Motor output shaft
- 7 Drehmomentsensor7 torque sensor
- 8 Flansch8 flange
- 9 Lagergehäuse9 bearing housing
-
11 Antriebswelle der Schraubspindel N A
drive shaft 11 of the screw - 11.1 Abgabeende11.1 End of delivery
- 13 Abtriebswelle der Schraubspindel13 A b drive shaft of the screw
- 13.1 Aufnahmeende13.1 End of recording
- 15 Vierkant15 square
- 17 Schutzhülse17 protective sleeve
- 18 Gewinde18 threads
- 20 Spule20 spool
- 22 Schraubenfeder22 coil spring
- 24 Tiefensensor24 depth sensor
- 26 Brücke26 bridge
- 28a - d Dehnungsmeßstreifen28a-d strain gauges
- 30 - 33 Punkte der Brücke30 - 33 points of the bridge
- 35 Speicherbaustein35 memory chip
- 37 Elektronischer Schalter (NPN-Transistor)37 Electronic switch (NPN transistor)
- 38 Widerstand38 resistance
- 40 Ausgang40 exit
- 42 Clock-Eingang42 clock input
- A (Index) AbschaltgrößeA (index) A bschaltgröße
- I Motor-IststromI Actual motor current
- L AnlegestufeAn L egestufe l
- M SchraubdrehmomentM tightening torque
- n Schraubdrehzahln screw speed
- t Zeitt time
- V VerweilzeitV dwell time
- Z AnziehstufeZ At such iehstufe
Claims (7)
a) einer Antriebswelle (11) und einer ihr gegenüber entgegen der Kraft einer Feder axial verschiebbaren Abtriebswelle (13),
gekennzeichnet durch
b) einen Tiefensensor (24) zum Messen der Einschraubtiefe, der auf folgende Weise gebildet ist:
b1) das das Drehmoment abgebende Ende (Abgabeende 11.1) der Antriebswelle (11) ist innerhalb des das Drehmoment aufnehmenden Endes (Aufnahmeende 13.1) der Abtriebswelle (13) axial verschiebbar gelagert,
b2) in einem Gehäuseteil (Hülse 17) der Schraubspindel, der zumindest Teile des Abgabeendes (11.1) und des Aufnahmeendes (13.1) umgibt, ist eine Spule (20) untergebracht, innerhalb derer das Aufnahmeende (13.1) unter Änderung der Induktivität der Spule verschiebbar ist.
(Figur 1)1. Screw spindle (1) with
a) a drive shaft (11) and an output shaft (13) axially displaceable against it against the force of a spring,
characterized by
b) a depth sensor (24) for measuring the screw-in depth, which is formed in the following way:
b1) the torque output end (output end 11.1) of the drive shaft (11) is axially displaceably mounted within the torque receiving end (intake end 13.1) of the output shaft (13),
b2) in a housing part (sleeve 17) of the screw spindle, which surrounds at least parts of the delivery end (11.1) and the receiving end (13.1), a coil (20) is accommodated, within which the receiving end (13.1) can be moved while changing the inductance of the coil is.
(Figure 1)
a) ein Motor, (insbesondere mit Untersetzungsgetriebe (5)),
b) ein Drehmomentsensor (7), der zwischen dem Motor und der Antriebswelle (11) der Spindel angeordnet ist,
c) eine Regelschaltung für den Schraubvorgang,
d) ein mit der Regelschaltung verbundener Drehzahlsensor zum Messen der Motor- oder Spindeldrehzahl,
e) ein elektronischer Speicherbaustein (35), in dem Parameter der Schraubspindel, ihres Antiebes und der Sensoren gespeichert sind, it innerhalb der Schraubmaschine, insbesondere der Schraubspindel, untergebracht,
f) der Speicherbaustein ist über den Drehmomentsensor (7) an die Regelschaltung anschließbar.
(Figur 2)3. screwing with a screw according to claim 1, characterized by the combination with the following additional features:
a) a motor (in particular with a reduction gear (5)),
b) a torque sensor (7) which is arranged between the motor and the drive shaft (11) of the spindle,
c) a control circuit for the screwing process,
d) a speed sensor connected to the control circuit for measuring the motor or spindle speed,
e) an electronic memory module (35), in which parameters of the screw spindle, its drive and the sensors are stored, accommodated within the screwing machine, in particular the screw spindle,
f) the memory module can be connected to the control circuit via the torque sensor (7).
(Figure 2)
a) der Drehmomentsensor hat zwei oder insbesondere vier Dehnungsmeßstreifen (28a - d) in Brückenschaltung,
b) die Größe des elektrischen Widerstandes eines der Zweige der Brücke ist über einen elektronischen Schalter (Transistor 37), insbesondere durch Parallelschalten eines Festwiderstandes (38), willkürlich veränderbar, derart, daß sich dadurch ein von der Brücke erzeugtes und der Regelschaltung zur Übertragung von Einstelldaten zugeführtes Kontrollsignal ändert,
c) zur Betätigung des elektronischen Schalters dient eine Impulsfolge, die der Speicherbaustein unter dem Einfluß von ihm zugeführten Taktimpulsen abgibt.
(Figuren 2 - 4)4. Screwing machine according to claim 3, characterized by the following features:
a) the torque sensor has two or in particular four strain gauges (28a-d) connected in a bridge,
b) the size of the electrical resistance of one of the branches of the bridge can be changed arbitrarily via an electronic switch (transistor 37), in particular by connecting a fixed resistor (38) in parallel, in such a way that a bridge circuit and the control circuit for transmitting Control signal supplied to the setting data changes,
c) a pulse train is used to actuate the electronic switch, which the memory module emits under the influence of clock pulses supplied by it.
(Figures 2 - 4)
nmax maximale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
nmin minimale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
MA Abschalt-Schraubdrehmoment am Ende der Anlege- bzw. Anziehstufe6. The method according to claim 5, characterized in that the respective screw speed n is regulated while continuously measuring the respective screw torque M according to the following formula:
n max maximum screw speed in the application or tightening stage
n min minimum screw speed in the application or tightening stage
M A switch-off tightening torque at the end of the application or tightening stage
nmax maximale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
nmin minimale Schraubdrehzahl in der Anlege- bzw. Anziehstufe
IA Abschalt-Motorstrom am Ende der Anlege- bzw. Anziehstufe7. The method according to claim 5, characterized in that the respective screw speed n is regulated while measuring the respective motor current (actual motor current value) I according to the following formula:
n max maximum screw speed in the application or tightening stage
n min minimum screw speed in the application or tightening stage
I A shutdown motor current at the end of the application or tightening stage
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